重庆交通大学毕业设计 开题报告

毕业设计（论文）
开题报告
题目 Amorphous 定位算法仿真与分析 专业通信工程 班级 2010 级 2 班 学生 学号 指导教师
重庆交通大学
2014 年
一、选题目的的理论价值和现实意义 理论价值： 无线传感器网络[1]主要由部署在监测区域内的微型、具有感知及无线通信能力的传感器 节点组成， 节点间以无线通信方式构成一个多跳的自组织网络。 其能够协作地实时监测、 感知和采集网络分布区域内监测对象的信息，并对这些信息进行处理，将获取到的信息 发送到任务管理节点或者需要这些信息的用户。 无线传感器网络定位技术 对无线传感器网络的多数应用来说，无时空标识数据是没有价值的，所以获得传感 器节点位置是需要知道的最基本的信息之一近年， 无线传感器网络节点定位问题已成为 研究热点。根据节点定位过程中是否需要知道节点间的绝对距离或相对角度等信息，将 无线传感器网络定位算法分为：距离相关定位算法和距离无关定位算法。距离相关定位 算法可获得较高的定位精度，但对传感器节点要求较高，且易受外界环境影响，典型的 算法有TOA、AOA以及RSSI等。距离无关定位算法利用节点间估算距离来计算节点位 置，无需额外硬件支持、功耗和成本低、定位精度适中，典型算法有质心算法、凸规划 算法、DV-hop算法、Amorphous算法等。与距离相关定位算法相比，距离无关定位算法 更加适合大规模无线传感器网络的应用。 在本文中我们主要研究与距离无关的Amorphous定位算法。 Amorphous算法是MIT的RadhikaNagpal等提出的一种与距离无关的定位算法。 Amorphous算法由DV-Hop算法改进得来， 在DV-Hop算法中未知节点通过计算与信标节 点之间最小跳数，估算平均每条距离，用最小跳数乘以平均每跳距离得到两点距离，再 利用三边测量法或最大似然估计发对未知节点定位。有很多专家对DV-Hop算法提出改 进，对于Amorphous定位算法改进的改进算法比较少，但是Amorphous定位算法简单， 无需测距，容易实现。 现实价值： 随着无线技术的快速发展和日趋成熟，无线通信也发展到一定的阶段，其发展的技术越 来越成熟，方向也越来越多，越来越重要，大量的应用方案开始采用无线技术进行数据 采集和通信。微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展，使得低成本、低功耗、小体 积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络 （WSN）。无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。广泛应用于战 场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等领域。传感技术、传感网络已经被认 定为最重要的研究之一。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比
网的方式形成动态、 自适应的无线传感网络。 而无线传感网络(
WSN)
是当前在国际
上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传 感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。我国 迫切需要提升对此的认识程度，并尽快推动其发展。因此，以无线传感模块为基础，实 现传感网络的无线互联将是一个必然的趋势。 另外由于无线传感器网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。 在不同的 应用中， 传感器网络节点的组成不尽相同。 已有的节点， 有的只考虑低功耗而性能不高， 有的性能高但是功耗太大。因此，无线传感模块的发展必然是趋向与低功耗的。即在保 证所需要实现功能的基础上，尽量的实现整个模块的低功耗，甚至在不影响整体性能的 情况下适当减少部分功能来实现降低功耗的目的。 当前对无线传感模块的应用都是静止性的，就目前存在的无线传感网络（WSN） ， 构成网络的各个节点都是被固定的安放在一个地方，要实现对整个环境的检测，就需要 向环境中投放大量的无线传感节点。这样一来成本就会非常的高。若实现无线传感模块 对信息的移动式采集，则在同一个环境内投放更少的节点，就能实现对环境的全面检 测。 正是由于当前能耗对无线传感模块的影响，低功耗研究才上升为一个热点领域，不 论是使用电源或者电池供电，在实现低功耗后，无线传感模块的发展趋势必然是自生能 源式的。利用太阳能、振动能量、地热、风能等实现无线传感模块的电能供应对于全面 提高无线传感模块的能力将会起到巨大的作用。 最后，基于能力存储技术的发展，电池的容量越来越大，再加上低功耗的实现，无 线传感模块的适用寿命不断增加将会成为一个绝对趋势。 未来的无线传感模块必将是集 稳定性与安全性、扩展性与灵活性、微型化与低成本等特点为一体的。 (2)国外研究机发展趋势 1998年，美国国防部提出了“智能尘埃”的概念，最先开始无线传感器网络技术的 研究，目的是为监控敌方的活动情况而不被察觉。2001年，美国陆军提出“灵巧传感器 网络通信”计划，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器人系统连成网 络，以便成倍提高单一传感器的能力，从而提高未来战斗系统的生存能力。2002年，英 特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，该规划主要致力于微型 传感器网络在医学、环境监测、森林灭火、海底板块和行星探测等领域的应用。同年欧 盟提出了一项为期3年的EYES(自组织和协作有效能量的传感器网络)计划， 主要研究无 线传感器网络的构架、节点的协作、网络协议和安全等。
理计算能力与传感器相结合，使得传感模块不但能够实现数据等信息采集，还能对所采 集到的信息进行一定程度的计算和处理； 无线传感器则是在智能传感器的基础上再集成 无线功能模块， 使得传感器不再是单独的感知模块， 而是一个能够实现数据采集、 处理， 信息交换和控制的有机整体。 为了实现随时随地与任何人或任何设备的互联互通，无线通信技术获得了蓬勃发 展。在正交频分复用(OFDM)和多入多出(MIMO)等基础技术支持下，多种无线技术如 蓝牙、Wi-Fi、WIMAX、超宽带和无线局域网获得了长足发展。作为蓬勃发展的无线技 术，近几年正是其大变革时期。随着几种重要基础技术的推广和实际应用，无线通信的 速度也将得到大大提高。无线传感模块属于无线技术中较为底层的一个分支，由于越来 越多的应用方案开始采用无线节点进行数据采集和通信。综合了传感器技术、嵌入式计 算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等的无线传感网络 ,是当前的 热点研究领域。而无线传感网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障，因此无 线传感模块的设计，传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。 当前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。 典型的节点包括 Mica 系 列、Telos、IRIS 和 Imote2 等。各平台的主要区别是采用了不同的处理器和无线通信模 块。有些节点具有高性能但功耗较大，如 Imote2 节点，不适用于能量受限的应用环境。 其他一些节点，如 Telos、Mica 等，由于设计时间较早，其性能已经落后于当今的集成 电路工业设计水平[4]。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较 恶劣，而且数量大，更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之 一。ITP（美国再生能源办公室工业技术计划）在 2002 年发布的报告“21 世纪工业无线 技术”第一页中引用了总统科技顾问的断言：无线传感器可将能源利用率提高 10%，将 能源损耗减少 25%。后来的研究，如 IntelMote 的研究项目则注重了三个方面的要求，包 括低功耗操作、系统级集成和硬件的重新配置，希望做到平衡功耗与性能的矛盾，但目 标的实现还需要一定的努力。 MIT 发展的模块化平台对于具体的传感器有不同的硬件设 计，他们的传感器的主要功能是数据收集，采用垂直连接器来使不同的处理层整合到一 起，其目的是为了设计一个通用的系统来取代单一的硬件系统。 随着电子技术、计算机技术以及集成技术的不断发展，传感技术也会得到不断的发 展和完善。并且会有更多的结构新、功能强、耗能低的传感器用运于各种实际的无线网 络当中，以高的精确度和良好的稳定性服务于更加广泛的领域。 正是由于低功耗无线传感节点在如此广范围内的应用，使得它受到了来自军事、工 业和商业以及学术专家的极大关注。其发展方向必然是无线通信的网络化，即通过自组
美国科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划， 研究领域涉及能感知 有毒化学物、 生物攻击等的传感器节点、 分布环境下传感器网络的特性等问题。 2005年， 对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代可靠性高、安全的可扩展的网络、可 编程的无线网络及传感器系统的网络特性， 资助金额达4000万美元。 此外， 美国交通部、 能源部、美同国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。美国著名院校几乎都有研 究小组在从事无线传感器网络相关技术的研究。加州大学伯克利分校、麻省理工学院、 康奈尔大学、哈佛大学等在无线传感器网络研究领域成绩较为突出。 加拿大、 英国、 德国、 意大利和日本等国家的研究机构也加入了无线传感器网络的研究。 欧盟的 Phil．ips、FranceTelecom、Siemens、Ericsson 等公司，日本的 NEC、欧姆龙、 OKI、Sk．y2 等公司都开展了无线传感器网络的研究。 三、研究重点 在本文中主要研究无线传感器节点定位算法[3]中的与距离无关的 Amorphous 定位算 法。 传感器节点是无线传感器网络中的基本组成单位，对于已知位置，并协助未知节点 定位的节点称为锚节点。 典型的无线传感器网络结构， 通过锚节点向网络广播信标信息， 或未知节点通过与邻点的锚节点或已经知道位置信息的邻居节点之间通信， 位置节点获 得与其他节点的距离或跳数信息，然后根据 Amorphous 定位算法得到自身的位置信息。 在本论文中，我们将对 Amorphous 定位算法进行仿真，并对它进行分析，论文也会 提出其他算法的基本原理， 也将对 Amorphous 定位算法与其他算法进行对比， 讲解它的 优势与缺点。 同时也会对仿真结果的节点通信半径所存在的偏差以及平均定位误差进行 分析。 四、研究方法与实施方案 Amorphous[6] 同DV-Hop算法，该算法思想是利用两节点之间跳段距离代表二者之间的 直线距离。 其实现大致分三个步骤： 1）计算未知节点距各信标节点的最小跳数各信标节点通过泛洪等方式广播分组消息， 使网络中所有节点获得各信标节点的位置信息与距各信标节点的最小整数跳数，并 用式(4.1) 计算h局部跳数来代替整数跳数。